Linux socket网络编程实战（tcp）实现双方聊天

在上节已经系统介绍了大致的流程和相关的API，这节就开始写代码！

回顾上节的流程：

创建一个NET文件夹 来存放网络编程相关的代码：

tcp服务端代码初步实现--上

这部分先实现服务器的连接部分的代码并进行验证

server1.c：

#include <sys/types.h>     
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/in.h>
#include <string.h>



int main()
{
	int sockfd;
	int conn_sockfd;
	int ret;

	struct sockaddr_in my_addr;
	struct sockaddr_in client_addr;
	memset(&my_addr,0,sizeof(struct sockaddr_in));
	memset(&client_addr,0,sizeof(struct sockaddr_in));

	//socket
	sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(sockfd == -1){
		perror("socket");
		return 1;
	}else{
		printf("socket success, sockfd = %d\n",sockfd);
	}

	//bind
	my_addr.sin_family = AF_INET;
	my_addr.sin_port = htons(8888);//host to net (2 bytes)
	inet_aton("192.168.20.137",&my_addr.sin_addr); //char* format -> net format

	ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
	if(ret == -1){
                perror("bind");
                return 1;
        }else{
               printf("bind success\n");
        }

	//listen
	ret = listen(sockfd,10);
	if(ret == -1){
                perror("listen");
                return 1;
        }else{
               printf("listening...\n");
        }

	//accept
	int len = sizeof(struct sockaddr_in);
	conn_sockfd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&client_addr,&len);
	if(conn_sockfd == -1){
                perror("accept");
                return 1;
        }else{
               printf("accept success, client IP = %s\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr));//将网络格式的IP地址再转回字符串

        }

	//read
	

	//write
	
	//read
	
	//close


	return 0;
}

代码验证：

先编译并运行这部分代码：

可见，此时没有客户端进行连接，程序会阻塞在监听的阶段

此时打开windows的cmd（windows系统和linux虚拟机的系统可以看作两台不同的终端）

telnet指令使用的也是TCP协议

执行这条命令后，windows的cmd变成了这样：

再反观linux虚拟机：

使用windows的ipconfig可以验证IP地址 ：

所以，连接部分的代码已经成功，只是因为没有接下来的数据传输所以退出了。

tcp服务端代码初步实现--下

这部分实现服务器的连接成功后的读写并验证

server1.c：

#include <sys/types.h>     
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/in.h>
#include <string.h>



int main()
{
	int sockfd;
	int conn_sockfd;
	int ret;
	int n_read;
	int n_write;
	char readbuf[1024];

	struct sockaddr_in my_addr;
	struct sockaddr_in client_addr;
	memset(&my_addr,0,sizeof(struct sockaddr_in));
	memset(&client_addr,0,sizeof(struct sockaddr_in));

	//socket
	sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(sockfd == -1){
		perror("socket");
		return 1;
	}else{
		printf("socket success, sockfd = %d\n",sockfd);
	}

	//bind
	my_addr.sin_family = AF_INET;
	my_addr.sin_port = htons(8888);//host to net (2 bytes)
	inet_aton("192.168.20.137",&my_addr.sin_addr); //char* format -> net format

	ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
	if(ret == -1){
                perror("bind");
                return 1;
        }else{
               printf("bind success\n");
        }

	//listen
	ret = listen(sockfd,10);
	if(ret == -1){
                perror("listen");
                return 1;
        }else{
               printf("listening...\n");
        }

	//accept
	int len = sizeof(struct sockaddr_in);
	conn_sockfd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&client_addr,&len);
	if(conn_sockfd == -1){
                perror("accept");
                return 1;
        }else{
               printf("accept success, client IP = %s\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr));

        }

	//read
	n_read = read(conn_sockfd,&readbuf,1024);
	if(n_read == -1){
		perror("read");
		return 1;
	}else{
		printf("%d bytes has been read, context = %s\n",n_read,readbuf);
	}

	//write
	char *msg = "this is server, I have received your msg\n";
	n_write = write(conn_sockfd,msg,strlen(msg));
	if(n_write == -1){
                perror("write");
                return 1;
        }else{
                printf("%d bytes has been written\n",n_write);
        }
	
	//read
	
	
	//close


	return 0;
}

代码验证：

这部分如果用windows的telnet，打一个符号就会直接结束，所以用Linux另开一个cmd使用telnet来模拟服务器和客户端的对话：

还是先运行代码：

然后运行telnet：

反观服务端：

在连接成功后客户端输入一句话然后回车：

客户端显示：

服务器显示：

可见，数据的交互基本没什么问题。

至此，构建了一个大致的服务器代码框架，可以开始着手编写客户端的代码了。

客户端代码初步实现

client.c：

#include <sys/types.h>     
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/in.h>
#include <string.h>



int main()
{
	int sockfd;
	int ret;
	int n_read;
	int n_write;
	char readbuf[1024];

	struct sockaddr_in server_addr;
	memset(&server_addr,0,sizeof(struct sockaddr_in));

	//socket
	sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(sockfd == -1){
		perror("socket");
		return 1;
	}else{
		printf("socket success, sockfd = %d\n",sockfd);
	}

	//connect
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons(8888);//host to net (2 bytes)
	inet_aton("192.168.20.137",&server_addr.sin_addr); 
	ret = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
	if(ret == -1){
		perror("connect");
		return 1;
	}else{
		printf("connect success!\n");
	}

	//write
        char *msg = "client: hello\n";
        n_write = write(sockfd,msg,strlen(msg));
        if(n_write == -1){
                perror("write");
                return 1;
        }else{
                printf("%d bytes has been written\n",n_write);
        }

	//read
	n_read = read(sockfd,&readbuf,1024);
	if(n_read == -1){
		perror("read");
		return 1;
	}else{
		printf("%d bytes has been read, context = %s\n",n_read,readbuf);
	}

	
	
	//close


	return 0;
}

代码验证：

先编译并允许服务端：

再编译并运行客户端：

回看服务端：

客户端 & 服务端 代码的最终实现

之前，已经大致编写出了客户端和服务端的代码，但是和本节开头的框图对比，发现还差一些，首先，数据的发送和读取应该持续进行，直到收到结束信号 ，另外在最后要编写关闭套接字，关闭连接的代码 ，且服务器应该可以接受多个客户端的数据 ，还有一些细节的优化：

回顾之前关于fork函数的一节：进程的创建_mjmmm的博客-CSDN博客

所以此处可以使用fork函数！

小知识点：自动对齐（gg=G）

（参考：linux代码对齐快捷键和man帮助文档的使用总结_陌上花开缓缓归以的博客-CSDN博客）

在命令模式下（即非"插入"等编辑模式），先输入gg，这时候光标会移动到第一行第一个字符，然后按 "=" 号之后切换成大写，再按一下G，这时候光标会移到最后一行的第一个字符，这时候就可以看到代码被排得整整齐齐了！

"gg"将光标移动到代码首部,"="表示对齐指令,"G"表示代码尾部,所以执行"gg=G"后,该文件的所有代码都将对齐！

实现思路

服务端：

在listen之后，进入一个while(1)循环 ，并调用accept阻塞，一旦连接到一个客户端，就fork一个子进程来处理数据，父进程则继续通过while(1)继续调用accept阻塞等待下一个客户端连接。

而子进程中再次调用fork，父进程写一个while(1)不断的写数据，子进程写一个while(1)不断的读数据。

客户端：

在connect之后进行fork，父进程写一个while(1)不断的写数据，子进程写一个while(1)不断的读数据。

如何退出：

我希望的退出方式是客户端输入"quit"就会退出 ，但是不管是客户端还是服务端，为了读和写不会相互阻塞，都在不同的进程中的while(1)里，当客户端输入"quit"之后，只有客户端的写端和服务器的读端知道，客户端的读端和服务器的写端并不知情 ，所以需要使用进程间的通讯，此处我使用了FIFO

---

在客户端中 创建FIFO并在不断写数据的父进程中不断检测是否输入了"quit" ，如果是就只写打开fifo，并阻塞等待....一旦等待到了有进程只读打开FIFO，就会往FIFO写入"quit"，然后关闭FIFO；关闭套接字；收集子进程退出状态；然后退出循环；正常退出。 同时在不断读数据的子进程中不断非阻塞的只读打开fifo，并每次都将光标移到最开头，一旦从FIFO读取到了"quit"，就exit。

---

但是，不断读数据的子进程会阻塞读取服务器传来（写入）的数据，这就导致，当客户端输入"quit"之后无法立刻退出，而是要等到服务器再发来消息，才能进行下一轮的FIFO读取，才能使得子进程收到父进程通过FIFO发来的"quit"并退出。解决办法就是：在服务器端中，一旦检测到客户端发来的消息是quit之后，就立刻给客户端发送一句话

---

此时，对于客户端来说输入了"quit"之后会立刻退出，但是服务端只有读端的while可以退出，写端的while无法退出 ，此时就有一个疑问"我在读端关闭了客户端套接字，照理说写端应该往这个套接字里写会报错，我直接在报错处理函数里退出写端不就行了"，但其实这是行不通的，因为文件描述符的作用域默认情况下只在进程内有效，而无法在进程之间进行传递。所以还是需要使用FIFO，且注意，FIFO是进程与进程间的，客户端和服务端本质也属于两个进程，所以服务端如果要使用FIFO应该在mkfifo函数中对于FIFO的名字修改，不要和服务端的FIFO重名

---

在服务器端创建另一个FIFO并在不断读数据的子进程中不断判断是否从客户端收到了"quit"，如果收到了就立刻回复（写）一个"Bye"（也就是为了让客户端能立刻退出）；只写打开FIFO，并阻塞等待.... 一旦等待到了有进程只读打开FIFO，就会往FIFO写入"quit"，然后exit。 同时在不断写数据的父进程中不断非阻塞的只读打开fifo，并每次都将光标移到最开头，一旦从FIFO读取到了"quit"，就关闭FIFO；关闭客户端的套接字；收集子进程退出状态；然后退出循环；执行fork之后的exit。

程序框图：

server_final.c：

#include <sys/types.h>     
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/in.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>


int main(int argc, char **argv)
{
	int conn_num = 0;
	int flag = 0;
	int sockfd;
	int conn_sockfd;
	int ret;
	int n_read;
	int n_write;
	int len = sizeof(struct sockaddr_in);
	char readbuf[128];
	char msg[128];

	int fd; //fifo
	char fifo_readbuf[20] = {0};
	char *fifo_msg = "quit";

	pid_t fork_return;
	pid_t fork_return_1;

	struct sockaddr_in my_addr;
	struct sockaddr_in client_addr;
	memset(&my_addr,0,sizeof(struct sockaddr_in));
	memset(&client_addr,0,sizeof(struct sockaddr_in));

	if(argc != 3){
		printf("param error!\n");
		return 1;
	}

	//socket
	sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(sockfd == -1){
		perror("socket");
		return 1;
	}else{
		printf("socket success, sockfd = %d\n",sockfd);
	}

	//bind
	my_addr.sin_family = AF_INET;
	my_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));//host to net (2 bytes)
	inet_aton(argv[1],&my_addr.sin_addr); //char* format -> net format

	ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, len);
	if(ret == -1){
		perror("bind");
		return 1;
	}else{
		printf("bind success\n");
	}

	//listen
	ret = listen(sockfd,10);
	if(ret == -1){
		perror("listen");
		return 1;
	}else{
		printf("listening...\n");
	}

	//fifo
	if(mkfifo("./fifo1",S_IRWXU) == -1 && errno != EEXIST)
	{
		perror("fifo");
	}


	while(1){
		//accept
		conn_sockfd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&client_addr,&len);
		if(conn_sockfd == -1){
			perror("accept");
			return 1;
		}else{
			conn_num++;
			if(conn_num > 1){
				printf("there are more then one client, msg may not be sent accuratly!\n");
			}
			printf("accept success, no.%d client IP = %s\n",conn_num,inet_ntoa(client_addr.sin_addr));

		}

		fork_return = fork();

		if(fork_return > 0){//father keeps waiting for new request
			//wait(NULL); //cant wait,will block	
		}else if(fork_return < 0){
			perror("fork");
			return 1;
		}else{//son deals with request
			fork_return_1 = fork();
			if(fork_return_1 > 0){//father keeps writing msg
				while(1){
					fd = open("./fifo1",O_RDONLY|O_NONBLOCK);
					lseek(fd, 0, SEEK_SET);
					read(fd,&fifo_readbuf,20);
					//printf("read from fifo:%s\n",fifo_readbuf);
					if(fifo_readbuf[0]=='q' && fifo_readbuf[1]=='u' && fifo_readbuf[2]=='i' && fifo_readbuf[3]=='t'){
						printf("sorry,the last msg sent fail,client has quit\n");
						close(fd);
						close(conn_sockfd);
						wait(NULL);
						break;
					}


					//write
					memset(&msg,0,sizeof(msg));
					//printf("\ntype msg:");
					scanf("%s",(char *)msg);
					n_write = write(conn_sockfd,&msg,strlen(msg));
					if(n_write == -1){
						perror("write");
						return 1;
					}else{
						printf("%d bytes msg sent\n",n_write);

					}
				}

			}else if(fork_return_1 < 0){
				perror("fork");
				return 1;
			}else{//son keeps reading msg
				while(1){
					//read
					memset(&readbuf,0,sizeof(readbuf));
					n_read = read(conn_sockfd,&readbuf,128);
					if(readbuf[0]=='q' && readbuf[1]=='u' && readbuf[2]=='i' && readbuf[3]=='t'){
						printf("client quit\n");
						conn_num--;
						printf("%d client remain\n",conn_num);
						write(conn_sockfd,"BYE",3);
						fd = open("./fifo1",O_WRONLY);
						write(fd,fifo_msg,strlen(fifo_msg));
						exit(1);
					}
					if(n_read == -1){
						perror("read");
						return 1;
					}else{
						printf("\nclient: %s\n",readbuf);
					}

				}
			}
			exit(2);
		}

	}


	return 0;
}

client_final.c：

#include <sys/types.h>     
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/in.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>


int main(int argc, char **argv)
{
	int sockfd;
	int ret;
	int n_read;
	int n_write;
	char readbuf[128];
	char msg[128];

	int fd; //fifo
	char fifo_readbuf[20] = {0};
	char *fifo_msg = "quit";

	pid_t fork_return;

	if(argc != 3){
		printf("param error!\n");
		return 1;
	}


	struct sockaddr_in server_addr;
	memset(&server_addr,0,sizeof(struct sockaddr_in));

	//socket
	sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(sockfd == -1){
		perror("socket");
		return 1;
	}else{
		printf("socket success, sockfd = %d\n",sockfd);
	}

	//connect
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));//host to net (2 bytes)
	inet_aton(argv[1],&server_addr.sin_addr); 
	ret = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
	if(ret == -1){
		perror("connect");
		return 1;
	}else{
		printf("connect success!\n");
	}

	//fifo
	if(mkfifo("./fifo",S_IRWXU) == -1 && errno != EEXIST)
	{
		perror("fifo");
	}

	//fork
	fork_return = fork();

	if(fork_return > 0){//father keeps writing msg
		while(1){
			//write
			memset(&msg,0,sizeof(msg));
			//printf("\ntype msg:");
			scanf("%s",(char *)msg);
			n_write = write(sockfd,&msg,strlen(msg));
			if(msg[0]=='q' && msg[1]=='u' && msg[2]=='i' && msg[3]=='t'){
				printf("quit detected!\n");
				fd = open("./fifo",O_WRONLY);
				write(fd,fifo_msg,strlen(fifo_msg));
				close(fd);
				close(sockfd);
				wait(NULL);
				break;
			}
			if(n_write == -1){
				perror("write");
				return 1;
			}else{
				printf("%d bytes msg sent\n",n_write);
			}
		}
	}else if(fork_return < 0){
		perror("fork");
		return 1;
	}else{//son keeps reading 
		while(1){
			fd = open("./fifo",O_RDONLY|O_NONBLOCK);
			lseek(fd, 0, SEEK_SET);
			read(fd,&fifo_readbuf,20);
			//printf("read from fifo:%s\n",fifo_readbuf);
			if(fifo_readbuf[0]=='q' && fifo_readbuf[1]=='u' && fifo_readbuf[2]=='i' && fifo_readbuf[3]=='t'){
				exit(1);
			}

			//read
			memset(&readbuf,0,sizeof(readbuf));
			n_read = read(sockfd,&readbuf,128);
			if(n_read == -1){
				perror("read");
				return 1;
			}else{
				printf("\nserver: %s\n",readbuf);
			}
		}

	}


	return 0;
}

实现效果：

编译并运行server端：

编译并运行client端：

此时回看server端：

此时，就可以实现双方聊天的功能了：（服务器左，客户端右）

直到客户端打出"quit" :

客户端会立刻退出，服务器此时只有读端知道客户端退出了

必须再打一句话让服务器写端刷新，这样才能从FIFO读取到信息，让写端也知道客户端退出了：

此时，服务器的读写端也全部退出，再次进入阻塞状态，等待新连接...

下面模拟如果同时有两个或以上连接的时候：（左侧一个服务器，右侧两个客户端）

我代码执行的顺序是：连接第一个客户端（右上）--> 服务器发送"hi" --> 连接第二个客户端（右下）--> 服务器发送"hihi" --> 服务器发送"hihihi" --> 服务器发送"hihihihi"

可见，连接第一个客户端的时候，服务器发送hi准确的到了右上的客户端1，但是当连接第二个客户端了之后，服务器分别发送了"hihi"，"hihihi" ，"hihihihi" ，从服务端看没有任何区别，但实际情况下"hihi"和"hihihihi"到了客户端1，"hihihi"到了客户端2，明显出现了混乱，所以我在代码中设置了提醒，检测到大于1个客户端接入时会提醒。

问题探讨 和 一些思路过程

• 如刚刚所说，服务器用了两次fork，相当于有3个独立的进程，所以我的conn_num变量的设置实际上是相当残疾的，因为我把conn_num-- 放在了一个子进程里，而fork之后的变量空间都是独立的，所以我的conn_num变量只要有客户端推出就不准了，应该也使用进程间通信来通知，但是鉴于我的代码实现目的本来就是双人聊天，所以多客户端的连接部分就没有深入修改了
• 在我目前的代码逻辑中，我本来觉得只设置了一个conn_sockfd变量来存放客户端的套接字不合理，因为当多个客户端接入的时候，套接字可能会被覆盖，导致读写异常，但是其实一个就够了，原因也是因为fork之后变量空间也会被复制，根据我的代码逻辑，每出现一个新连接，就会fork一个子进程来处理这个连接的读写，如果有多个客户端，就会有多个子进程，里面的套接字变量名都是conn_sockfd，但其实值是不一样的。
• 并且，服务端的第一个fork，父进程不能调用wait，因为wait会阻塞直到子进程退出，但我希望父进程不被阻塞而一直while循环等待新连接，所以第一次fork生成的子进程在客户端退出之后会变成僵尸进程，且每有一个新的客户端退出就会多一个僵尸进程，在当前的逻辑下不可避免。

且，当多个客户端连接服务器的时候，服务器会针对每个客户端fork一个子进程来处理，而每一个子进程都会再fork一个读端不停的scanf检测输入。

但是进程与进程之间是竞争的关系 ，所以在cmd中看来，光标一直在闪没有变化，但实际上，可能上一秒这是客户端1对应子进程的scanf，下一秒就变成了客户端2对应子进程的scanf。

这就导致了如果此时对着光标输入消息并回车，无法确定收到消息的是客户端1还是客户端2。

• 解决办法1：使用线程，实现真正的多方数据收发，但是难度很大，需要更多的新知识
• 解决办法2：舍弃服务器的scanf功能，改为自动回复，这样可以实现多个客户端对服务器的自定义消息发送，但是服务器只能回复预设的内容
• 解决办法3：（也就是现在实现的效果）舍弃多方发送，只用一个客户端，这样就可以实现客户端和服务器的自定义消息交互，但是此时不能增加更多的客户端